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Grafite: estratégias de modificação superficial e potencial em aplicações como suporte para catalisadores

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Resumo

Os catalisadores desempenham um papel central na indústria química ao reduzirem a energia de ativação das reações, tornando os processos mais rápidos, eficientes e energeticamente viáveis. Dentre as diversas classes de catalisadores, os materiais nanoestruturados destacam-se pela sua ampla utilização em processos industriais devido à sua estabilidade e reciclabilidade. Nesses materiais, pelo menos uma de suas dimensões encontra-se na escala nanométrica (<100 nm), o que lhes confere elevada área superficial e maior reatividade em comparação a materiais convencionais. De modo geral, esses materiais são constituídos por uma fase ativa dispersa em um suporte, o que promove uma melhor dispersão da primeira. O grafite, alótropo do carbono, apresenta propriedades como resistência térmica e condutividade elétrica, o que o torna um material promissor para uso como suporte catalítico. Dessa forma, este estudo investiga o potencial do grafite como suporte no desenvolvimento de catalisadores, avaliando suas propriedades estruturais e químicas por meio de análises de caracterização e, sua atuação como catalisador em processos de oxidação de contaminantes orgânicos. Por possuir um caráter inerte, o grafite foi submetido a processos de modificação superficial para melhorar a interação com a fase ativa. No primeiro trabalho, o grafite foi oxidado seguindo o método de Hummers modificado e, posteriormente, utilizado como suporte para imobilização de partículas de magnetita, sendo aplicado na remoção de paracetamol e sulfametoxazol, tanto isoladamente como em mistura. Os resultados demonstraram alta atividade catalítica do compósito bem como ação promotora do paracetamol, que modulou a atividade do material suportado. No segundo trabalho, o grafite foi funcionalizado com boro via radiação de micro-ondas, a fim de atuar como suporte para a ancoragem de nanopartículas de cobre e ferro. Os resultados de caracterização indicaram a inserção de boro no material de suporte, sugerindo a criação de sítios de ancoragem. As análises de imagem comprovam a presença e a dispersão das nanopartículas, com diâmetro médio de 11,05 nm para Fe e 24,24 nm para Cu. Os materiais nanoestruturados apresentaram atividade catalítica na reação tipo Fenton para remoção do corante preto remazol, com destaque para o efeito promotor do boro na aceleração do ciclo redox do ferro. Dessa forma, os materiais apresentados neste trabalho demonstram potencial para remoção de contaminantes orgânicos, podendo contribuir para o tratamento de efluentes

Abstract

Catalysts play a central role in the chemical industry by reducing the activation energy of reactions, making processes faster, more efficient and energetically viable. Among the various classes of catalysts, nanostructured materials stand out due to their extensive application in industrial processes, because of their stability and recyclability. In these materials, at least one of their dimensions is within the nanometric scale (<100 nm which imparts a high surface area and enhanced reactivity compared to conventional materials. In general, these materials consist of an active phase dispersed on a support, which promotes better dispersion of the former. Graphite, a carbon allotrope, exhibits properties such as thermal resistance and electrical conductivity, making it a promising material for use as a catalytic support. Thus, this study investigates the potential of graphite as a support in the development of catalysts, evaluating its structural and chemical properties through characterization analyses, as well as its performance as a catalyst in the oxidation of organic contaminants. Due to its inert character, graphite was subjected to surface modification processes to enhance its interaction with the active phase. In the first study, graphite was oxidized following the modified Hummers method and subsequently used as a support for the immobilization of magnetite particles, being applied in the removal of paracetamol and sulfamethoxazole, both individually and in mixture. The results demonstrated high catalytic activity of the composite, as well as a promoting effect of paracetamol, which modulated the activity of the supported material. In the second study, graphite was functionalized with boron via microwave radiation to act as a support for the anchoring of copper and iron nanoparticles. Characterization results indicated the incorporation of boron into the support material, suggesting the creation of anchoring sites. Imaging analyses confirmed the presence and dispersion of the nanoparticles, with average diameters of 11.05 nm for Fe and 24.24 nm for Cu. The nanostructured materials exhibited catalytic activity in a Fenton-type reaction for the removal of the Remazol Black dye, with emphasis on the promoting effect of boron in accelerating the iron redox cycle. Therefore, the materials presented in this study demonstrate potential for the removal of organic contaminants and may contribute to wastewater treatment applications.

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LOPES, Paloma Aparecida. Grafite: estratégias de modificação superficial e potencial em aplicações como suporte para catalisadores. 2025. 107 p. Tese (Doutorado em Química Ambiental) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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